基于PgRouting图计算的人员精准定位轨迹还原算法

技术领域：

本发明涉及基于PgRouting图计算的人员精准定位轨迹还原算法。

背景技术：

煤矿是人类在富含煤炭的矿区开采煤炭资源的区域，一般分为井工煤矿和露天煤矿；当煤层离地表远时，一般选择向地下开掘巷道采掘煤炭，此为井工煤矿；当煤层距地表的距离很近时，一般选择直接剥离地表土层挖掘煤炭，此为露天煤矿；我国绝大部分煤矿属于井工煤矿，煤矿范围包括地上地下以及相关设施的很大区域。煤矿是人类在开掘富含有煤炭的地质层时所挖掘的合理空间，通常包括巷道、井硐和采掘面等。

煤是最主要的固体燃料，是可燃性有机岩的一种。它是由一定地质年代生长的繁茂植物，在适宜的地质环境中，逐渐堆积成厚层，并埋没在水底或泥沙中，经过漫长地质年代的天然煤化作用而形成的。在世界上各地质时期中，以石炭纪、二叠纪、侏罗纪和第三纪的地层中产煤最多，是重要的成煤时代。煤的含碳量一般为46～97％，呈褐色至黑色，具有暗淡至金属光泽。根据煤化程度的不同，煤可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四类。当今世界中，煤矿在超过50个国家中商业开采。世界一年(2006年估计)约生产53亿7000万公吨的硬煤；世界上大部分国家都有煤矿储藏，以生产量与消费量比值，已探明的煤矿储藏量估计可再使用147年。

为了方便煤矿的开采作业的运行、保证煤矿井下人员的安全，在进行矿务作业的同时需要设置煤矿井下人员定位系统，获取井下人员的实时位置坐标和历史轨迹数据；煤矿井下人员定位系统在遏制超定员生产、事故应急救援、领导下井带班管理、特种作业人员管理、防止人员进入危险区域、及时发现未按时升井人员、持证上岗管理、井下作业人员考勤等方面发挥着重要作用；目前主流的煤矿井下人员定位系统都是基于预先绘制的预设定路径，即将相邻定位设备以一定方式进行连接，然后按照预设轨迹和当前设备状态进行人员轨迹计算，大多采用树形结构，其拓扑模型用存储点和弧段的编号描述图形之间的关系，对所有可能性路线进行穷举；这种方式虽然可以获取位置坐标和运动轨迹，但存在以下问题：(1)当设备发生位移或替换后需要重新计算；(2)设备坐标与巷道拓扑关系耦合度高，需要专业软件技术人员进行操作，无法适应煤矿动态变化；(3)无法进行预设外的轨迹路径计算。

发明内容：

本发明实施例提供了基于PgRouting图计算的人员精准定位轨迹还原算法，方法设计合理，以PgRouting图计算技术为基础，以煤矿导线点为节点，根据连接关系构建边数据，进而构建空间拓扑关系和三维模型，从而使路径规划不用预先以穷举方式进行设定，根据人员或设备的绝对经纬度坐标即可进行轨迹还原，能够适应煤炭的动态变化、动态改变拓扑关系，将现有无向图动态改变成有向图应用方式，在避灾路线计算等应急指挥方面也有明显优势，精准实用，并且，能够在异常和危险情况下平稳运行，具有极强的鲁棒性，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于PgRouting图计算的人员精准定位轨迹还原算法，所述算法包括以下步骤：

S1、根据导线点数据，基于PgRouting的拓扑计算函数pgr_createTopology构建井下的三维模型和井巷工程拓扑关系；

S2、采集人员轨迹数据；

S3、根据构建的三维模型或井巷工程拓扑关系与人员坐标数据，基于PgRouting的空间计算函数st_distance和PgRouting的图计算函数pgr_dijkstra对井下人员的运动轨迹进行修正。

根据导线点数据，基于PgRouting的拓扑计算函数pgr_createTopology构建井下的三维模型和井巷工程拓扑关系包括以下步骤：

S1.1、根据采掘工程平面图，按巷道逐个提取导线点坐标，创建拓扑表，以存放图计算的导线点坐标数据；

S1.2、按巷道和导线点坐标数据，以填充源顶点坐标和目标顶点坐标；

S1.3、根据源顶点坐标和目标顶点坐标来构造线段来计算长度，并填充cost字段；

S1.4、调用PgRouting的拓扑计算函数pgr_createTopology，对拓扑表进行填充，以构建井下的三维模型和井巷工程拓扑关系。

采集人员轨迹数据包括以下步骤：

S2.1、提供数据生成工具，与人员定位系统主备机服务器进行连接；

S2.2，根据人员数据变化情况，生成符合标准格式的交换文件；

S2.3，根据人员移动情况，生成具有三维坐标的人员轨迹数据；

S2.4，架设数据采集服务器，使用Flume对交换文件进行侦听，并抽取数据到中间件服务器进行数据缓存，同时将数据推送给前端GIS和大数据平台。

根据构建的三维模型或井巷工程拓扑关系与人员坐标数据，基于PgRouting的空间计算函数st_distance和PgRouting的图计算函数pgr_dijkstra对井下人员的运动轨迹进行修正包括以下步骤：

S3.1，根据人员开始坐标数据和PgRouting的空间计算函数st_distance来求取距离人员开始坐标数据最近的拓扑节点；

S3.2、调用PgRouting的图计算函数pgr_dijkstra，根据源顶点坐标和目标顶点坐标，来求取途径中所有拓扑节点；

S3.3、根据所有途径拓扑节点的坐标构建途径路线，并比照人员轨迹的人员开始坐标数据和人员结束坐标数据，结合构建的三维模型或井巷工程拓扑关系对途径路线进行截取进行修正。

所述拓扑表内至少包括字段名、类型和说明。

本发明采用上述结构，通过巷道内的多个导线点坐标来创建对应的拓扑表以存放导线点坐标数据；通过源顶点坐标和目标顶点坐标来构造线段来计算长度，配合调用的拓扑计算函数构建三维模块和井巷工程拓扑关系；通过数据采集服务器、应用服务器、中间件服务器和数据生成工具来进行人员轨迹数据的采集；通过源顶点坐标和目标顶点坐标集合图计算函数来求取途径中所有的拓扑节点，根据所有途径拓扑节点的坐标构建途径路线，并比照人员轨迹的人员开始坐标数据和人员结束坐标数据，结合构建的三维模型或井巷工程拓扑关系对途径路线进行截取进行修正，具有抗干扰能力强、精准实用的优点。

附图说明：

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的步骤S1的流程示意图。

图3为本发明的步骤S2的流程示意图。

图4为本发明的步骤S3的流程示意图。

图5为本发明的拓扑表的结构示意图。

图6为本发明的人员轨迹数据修正的示意图。

图7为本发明采集人员轨迹数据的结构示意图。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-6中所示，基于PgRouting图计算的人员精准定位轨迹还原算法，所述算法包括以下步骤：

S1、根据导线点数据，基于PgRouting的拓扑计算函数pgr_createTopology构建井下的三维模型和井巷工程拓扑关系；

S2、采集人员轨迹数据；

S3、根据构建的三维模型或井巷工程拓扑关系与人员坐标数据，基于PgRouting的空间计算函数st_distance和PgRouting的图计算函数pgr_dijkstra对井下人员的运动轨迹进行修正。

根据导线点数据，基于PgRouting的拓扑计算函数pgr_createTopology构建井下的三维模型和井巷工程拓扑关系包括以下步骤：

S1.1、根据采掘工程平面图，按巷道逐个提取导线点坐标，创建拓扑表，以存放图计算的导线点坐标数据；

S1.2、按巷道和导线点坐标数据，以填充源顶点坐标和目标顶点坐标；

S1.3、根据源顶点坐标和目标顶点坐标来构造线段来计算长度，并填充cost字段；

S1.4、调用PgRouting的拓扑计算函数pgr_createTopology，对拓扑表进行填充，以构建井下的三维模型和井巷工程拓扑关系。

采集人员轨迹数据包括以下步骤：

S2.1、提供数据生成工具，与人员定位系统主备机服务器进行连接；

S2.2，根据人员数据变化情况，生成符合标准格式的交换文件；

S2.3，根据人员移动情况，生成具有三维坐标的人员轨迹数据；

S2.4，架设数据采集服务器，使用Flume对交换文件进行侦听，并抽取数据到中间件服务器进行数据缓存，同时将数据推送给前端GIS和大数据平台。

根据构建的三维模型或井巷工程拓扑关系与人员坐标数据，基于PgRouting的空间计算函数st_distance和PgRouting的图计算函数pgr_dijkstra对井下人员的运动轨迹进行修正包括以下步骤：

S3.1，根据人员开始坐标数据和PgRouting的空间计算函数st_distance来求取距离人员开始坐标数据最近的拓扑节点；

S3.2、调用PgRouting的图计算函数pgr_dijkstra，根据源顶点坐标和目标顶点坐标，来求取途径中所有拓扑节点；

S3.3、根据所有途径拓扑节点的坐标构建途径路线，并比照人员轨迹的人员开始坐标数据和人员结束坐标数据，结合构建的三维模型或井巷工程拓扑关系对途径路线进行截取进行修正。

所述拓扑表内至少包括字段名、类型和说明。

本发明实施例中的基于PgRouting图计算的人员精准定位轨迹还原算法的工作原理为：以PgRouting图计算技术为基础，以煤矿导线点为节点，根据连接关系构建边数据，进而构建空间拓扑关系和三维模型，从而使路径规划不用预先以穷举方式进行设定，根据人员或设备的绝对经纬度坐标即可进行轨迹还原，能够适应煤炭的动态变化、动态改变拓扑关系，将现有无向图动态改变成有向图应用方式，在避灾路线计算等应急指挥方面也有明显优势，精准实用，并且，能够在异常和危险情况下平稳运行，具有极强的鲁棒性，路径轨迹规划不用预先以穷举方式进行设定，具体轨迹数据还原等算法不依赖于某系统，根据人员或设备的绝对经纬度坐标就能够进行轨迹还原。

在整体方案中，主要分为三个步骤：S1、构建井下的三维模型和井巷工程拓扑关系；S2、采集人员轨迹数据；S3、对井下人员的运动轨迹进行修正。

在构建井下的三维模型和井巷工程拓扑关系中，首先要根据采掘工程平面图按巷道逐个提取导线点坐标，来创建对应的拓扑表，来存放所有的导线点坐标数据；特别说明的，在拓扑表内至少包括字段名、类型和说明三项参数，方便工作人员进行查看；然后按巷道组织导线点数据来填充源顶点坐标和目标顶点坐标，根据源顶点坐标和目标顶点坐标来构造线段计算长度，并填充cost字段，调用PgRouting的拓扑计算函数pgr_createTopology，对拓扑表进行填充，够建井巷工程拓扑关系和三维模型。

在采集人员轨迹数据中，在人员定位系统中增设数据生成工具，该工具可以连接人员定位系统主备机服务器，根据人员数据变化情况，生成符合标准格式要求的交换文件。精确定位系统会根据人员移动情况，生成具有三维坐标的轨迹数据；架设数据采集服务器，使用Flume对交换文件进行侦听。当每10秒产生交换文件后，将报文内容抽取至Kafka消息中间件进行数据缓存。同时将数据推送给前端GIS和大数据解决方案进行持久化。

优选的，现场工业数据往往因定位基站安装覆盖不全、损坏下线等客观原因，导致定位人员轨迹数据重复、错误、轨迹中间数据丢失等现象；因此需要在采集时，对人员轨迹数据进行清洗、去重、对齐等操作。

在对井下人员的运动轨迹进行修正中，人员轨迹中人员位置是精确定位系统推送的北京54坐标系的经纬度和高程数据。需要根据两次推送的坐标数据，对人员模型以动画方式进行移动。因为人员位置坐标是随机的，因此需要以下几个步骤：S3.1，根据人员开始坐标数据和PgRouting的空间计算函数st_distance来求取距离人员开始坐标数据最近的拓扑节点；S3.2、调用PgRouting的图计算函数pgr_dijkstra，根据源顶点坐标和目标顶点坐标，来求取途径中所有拓扑节点；S3.3、根据所有途径拓扑节点的坐标构建途径路线，并比照人员轨迹的人员开始坐标数据和人员结束坐标数据，结合构建的三维模型或井巷工程拓扑关系对途径路线进行截取进行修正。

如图6所示，在巷道内共设有D1-D4四个导线点数据，P1和P2为人员精确定位间隔10秒间推送的2次坐标数据，其中P1为人员开始坐标数据，P2为人员结束坐标数据；按照P1直接到P2的数据进行绘制，与三维模型相结合，这样显然是与实际不符的。

所以需要对井下人员的途径路径轨迹进行还原修正，即补齐中间缺失的D2、D3坐标数据，以构建P1—D2—D3—P2的轨迹坐标数据，使井下人员按照修正后的路线进行移动。

同样的原理，多个导线点数据也可以进行轨迹坐标数据的修正，人员轨迹数据缺失具有极强的鲁棒性。平均GIS人员位置显示和实际位置误差不超过0.3米，满足实时性要求。

优选的，该算法可以通过维护两节点之间的cost、reverse_cost等属性，可以动态改变拓扑关系，如打密闭或局部发生灾变后，可进行动态拓扑关系计算，将现有无向图动态改变成有向图应用方式，在避灾路线计算等应急指挥方面也有明显优势。

综上所述，本发明实施例中的基于PgRouting图计算的人员精准定位轨迹还原算法以PgRouting图计算技术为基础，以煤矿导线点为节点，根据连接关系构建边数据，进而构建空间拓扑关系和三维模型，从而使路径规划不用预先以穷举方式进行设定，根据人员或设备的绝对经纬度坐标即可进行轨迹还原，能够适应煤炭的动态变化、动态改变拓扑关系，将现有无向图动态改变成有向图应用方式，在避灾路线计算等应急指挥方面也有明显优势，精准实用，并且，能够在异常和危险情况下平稳运行，具有极强的鲁棒性，路径轨迹规划不用预先以穷举方式进行设定，具体轨迹数据还原等算法不依赖于某系统，根据人员或设备的绝对经纬度坐标就能够进行轨迹还原。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。